(57)【要約】【課題】集光径を小さくすることにより、励起密度および集光密度を向上させて、動作エネルギーの低減を図り、雑音の少ない信号成分を得ることができる面型光−光スイッチを得る。【解決手段】屈折率の異なる複数種類の半導体層が交互に積層された半導体周期構造薄膜１を有し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチであって、複数種類の半導体層の各膜厚を、複数種類の半導体層のうちの小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移波長と複数種類の半導体層の屈折率とで決まるブラッグ反射条件を満たすようにそれぞれ設定し、ブラッグ反射条件の複数の透過バンドのうちのいずれか１つに制御光の波長を設定するとともに、複数の透過バンドのうちの他のいずれか１つに信号光の波長を設定し、信号光と制御光の光軸を同一光軸とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる複数種類の半導体層が交互に積層された半導体周期構造を有し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチであって、
上記複数種類の半導体層の各膜厚を、上記複数種類の半導体層のうちの小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移波長と上記複数種類の半導体層の屈折率とで決まるブラッグ反射条件を満たすようにそれぞれ設定し、
上記ブラッグ反射条件の複数の透過バンドのうちのいずれか１つに上記制御光の波長を設定するとともに、上記複数の透過バンドのうちの他のいずれか１つに上記信号光の波長を設定し、
上記信号光と上記制御光の光軸を同一光軸とする
ことを特徴とする面型光−光スイッチ。
【請求項２】
上記ブラッグ反射条件の複数の透過バンドは２つの長波長側透過バンドを含み、
上記制御光および上記信号光のいずれか一方の波長を、上記長波長側透過バンドの一方に設定し、
上記制御光および上記信号光のいずれか他方の波長を、上記長波長側透過バンドの他方に設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の面型光−光スイッチ。
【請求項３】
上記半導体周期構造への入射光学系の開口数を０．２から０．４５までの範囲に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の面型光−光スイッチ。
【請求項４】
上記半導体周期構造への入射光学系の開口数を０．３から０．４までの範囲に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の面型光−光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、制御光により信号光を直接制御する面型光−光スイッチに関し、特に、高速・大容量光通信システムにおいて好適な面型光−光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の面型光−光スイッチとして、バンド間遷移エネルギーが入射光子エネルギーの２倍より大きく、かつ、半導体周期構造を有することで、高繰り返しかつ低パワーで動作する面型光−光スイッチが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
当該従来の面型光−光スイッチにおいては、半導体周期構造の透過スペクトルの第１バンドを２光子吸収の生じない波長に設定し、信号光と制御光を互いに角度をつけて入射させることで、信号光の分離を行い、面型光−光スイッチを実現した。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２３６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光ファイバ通信で光−光スイッチを実施する場合、低消費電力であることが望ましい。その一形態として光−光スイッチ内に光増幅器を有さない場合は、光ファイバ中に伝送される光のエネルギーのみで動作することが必要である。ひとつの目安として、光ファイバの非線形性が起こりにくいとされる１Ｗ以内に最大伝送エネルギーが設定されている場合は、例えば１６０Ｇｂ／ｓの光通信を行う場合は、１つの信号パルスあたり約６．２５ｐＪに相当する。
【０００６】
半導体周期構造のブラッグ反射条件近傍では、多層膜構造による多重反射によって内部電場の非線形増強が起こっており、低エネルギーの入射であっても光スイッチングが可能である。パルスあたりのエネルギーが大きい場合は、光の集光密度を上げることなく、動作が可能であった。
【０００７】
上記特許文献１の構成では、制御光と信号光の２つの入射光は透過第１バンド波長と同一である。信号分離のために角度をつけた入射が必要であり、光学部品の物理的制限により各々のビームサイズと配置に制限があり、回折限界まで集光密度を上げることは困難であるという問題点があった。
【０００８】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、集光径を小さくすることにより、励起密度および集光密度を向上させて、動作エネルギーの低減を図り、雑音の少ない信号成分を得ることができる面型光−光スイッチを得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、屈折率の異なる複数種類の半導体層が交互に積層された半導体周期構造を有し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチであって、上記複数種類の半導体層の各膜厚を、上記複数種類の半導体層のうちの小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移波長と上記複数種類の半導体層の屈折率とで決まるブラッグ反射条件を満たすようにそれぞれ設定し、上記ブラッグ反射条件の複数の透過バンドのうちのいずれか１つに上記制御光の波長を設定するとともに、上記複数の透過バンドのうちの他のいずれか１つに上記信号光の波長を設定し、上記信号光と上記制御光の光軸を同一光軸とすることを特徴とする面型光−光スイッチである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明は、屈折率の異なる複数種類の半導体層が交互に積層された半導体周期構造を有し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチであって、上記複数種類の半導体層の各膜厚を、上記複数種類の半導体層のうちの小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移波長と上記複数種類の半導体層の屈折率とで決まるブラッグ反射条件を満たすようにそれぞれ設定し、上記ブラッグ反射条件の複数の透過バンドのうちのいずれか１つに上記制御光の波長を設定するとともに、上記複数の透過バンドのうちの他のいずれか１つに上記信号光の波長を設定し、上記信号光と上記制御光の光軸を同一光軸とすることを特徴とする面型光−光スイッチであるので、集光径を小さくすることにより、励起密度および集光密度を向上させて、動作エネルギーの低減を図り、雑音の少ない信号成分を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明に係る面型光−光スイッチを実現する場合、その信号雑音比は、集光密度に相当して大きくすることができる。つまり、パルスあたりのエネルギーに上限が設定されている場合には、集光密度を向上させることが必要となる。
【００１２】
一方、半導体周期構造のブラッグ反射条件で規定される透過バンドにより制限されるエネルギーの有効利用効率を考慮に入れる必要がある。ブラッグ反射条件近傍の透過バンド幅は、数ｎｍ程度のバンド幅を有し、一般には高速光ファイバ通信のパルス幅と良い整合性を有する。具体的な一例として、１６０Ｇｂ／ｓの通信では、その光パルス間隔は６．２５ｐｓ前後となり、時間間隔の半分を光パルスが占めるＲＺ（Return to Zero）信号を仮定すると、約３ｐｓの光パルスが最適となる。このような、１〜５ｐｓ程度の光パルスは、おおよそ２ｎｍ以下のバンド幅を有する。また、５０層程度のＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓを積層した半導体多層薄膜構造のブラッグ反射条件の最近傍の透過バンド幅は、約３ｎｍとなる。つまり、数ｐｓの光パルスを制御光および信号光に用いる場合には、光パルスの波長をブラッグ反射条件の近傍透過バンド波長に合致させることで、そのパルスエネルギーのほとんどを有効に利用することが可能となる。
【００１３】
しかし、集光密度を向上させるために、集光径を小さくする場合には、集光光学系の開口数が増大するために、多重反射条件から外れた成分の割合が増大し、その結果、有効なエネルギー密度が低下する場合がある。つまり、多重反射条件から導かれるバンド幅等の条件を考慮しながら、有効集光密度を最大化させることが、効率的な低エネルギー動作への課題となる。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による面型光−光スイッチを示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る面型光−光スイッチは、バンド間遷移エネルギーが入射光子エネルギーの２倍より大きい半導体周期構造薄膜１と、その両側に設けられたファイバ伝送光を集光するための１対の集光光学系２と、一方の集光光学系２と後述する入射ファイバ系である制御光入射ファイバ系５および信号光入射ファイバ系６のそれぞれとの間に設けられて、２つの入射光の光軸を同一光軸上に合わせるための１組の合波光学系３と、他方の集光光学系２と後述する出力光出射ファイバ系７との間に設けられ、偏光光学素子と波長分離素子とからなる信号分離フィルタ４と、上述の入射ファイバ系である制御光入射ファイバ系５および信号光入射ファイバ系６と、上述の出射ファイバ系である出力光出射ファイバ系７とから構成されている。なお、上述において、集光光学系２が１対であるとしたが、その場合に限らず、形状、大きさおよび集光位置等が異なるものから構成するようにしてもよい。また、制御光入射ファイバ系５と信号光入射ファイバ系６とは、図１に示すように、平行に設けることが望ましい。しかしながら、制御光入射ファイバ系５と信号光入射ファイバ系６とが互いに所定の角度をつけて設置されていてもよく、いずれの場合にも、合波光学系３により、制御光と信号光とは光軸が同一光軸上に合わせられる。
【００１５】
動作について説明する。制御光入射ファイバ系５から制御光が入射され、信号光入射ファイバ系６から信号光が入射される。制御光入射ファイバ系５から入射された制御光は、一方の合波光学系３（以下、第１の合波光学系３とする。）を通過して直進する。一方、信号光入射ファイバ系６から入射された信号光は、他方の合波光学系３（以下、第２の合波光学系３とする。）により進行方向が変更されて第１の合波光学系３の方向に直進した後に、第１の合波光学系３により再び進行方向が変更されて、最終的に制御光と同一の光軸上を直進する。このようにして、制御光と信号光とは同一光軸となる。次に、集光光学系２により、制御光および信号光が集光される。集光された制御光および信号光は、半導体周期構造薄膜１に入射され、それを通過する。その後、集光光学系２により出射光が取り出され、次に、信号分離フィルタ４により信号が分離される。分離された信号は出力光出射ファイバ系７から出射される。このとき、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフが制御される。
【００１６】
半導体周期構造薄膜１は、図２に示すように、屈折率の異なる複数の半導体層が交互に積層されている。図２の例では、半導体層は２種類で、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる第１の半導体層とＡｌＡｓからなる第２の半導体層とが交互に積層されている。それぞれの層の一層ずつから構成される二層、すなわち、ＡｌＧａＡｓ（膜厚：約１１０ｎｍ）／ＡｌＡｓ（膜厚：約１２５ｎｍ）を基本構造として、これを所定周期（例えば５０周期）繰り返したものから半導体周期構造薄膜１は構成されている。ここで、基本構造を構成するＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓの膜厚を、それぞれ、λ／ｎｉとする。ここで、λはバンド間遷移波長、ｎｉ（ｉ＝１，２）は第１および第２の半導体層の屈折率である。ＡｌＧａＡｓのバンド間遷移エネルギーは、一般的な光ファイバ通信で用いられる入射光の２つの光子が実質的にほぼ同時に吸収される（二光子吸収）場合である入射光子エネルギーの２倍、もしくは、ほぼ２倍前後である。このように、半導体周期構造薄膜１は、制御光と信号光の波長が半導体周期構造のブラッグ反射条件の異なる近傍透過バンドに合致するように半導体周期構造が設定されている。なお、半導体周期構造薄膜１には、図２に示すように、必要に応じて、表面に、半導体キャップ層や半導体エッチングストッパー層等を設けるようにする。
【００１７】
本実施の形態においては、第１および第２の半導体層の膜厚を、それぞれ、第１および第２の半導体層であるＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓのうちの小さいバンド間遷移エネルギーを有する方の半導体層、すなわち、ＡｌＧａＡｓのバンド間遷移波長の２倍と、第１および第２の半導体層の屈折率とで決まるブラッグ反射条件（λ／ｎｉ、ただしλは上記バンド間遷移波長、ｎｉ（ｉ＝１，２）は２種類の各半導体層の屈折率）を満たすように設定する。具体的には、第１および第２の半導体層ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓの膜厚を、それぞれ、１１０ｎｍおよび１２５ｎｍに設定する。
【００１８】
図３は、上述のように、半導体周期構造薄膜１の半導体層としてＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓとを選んだ場合の、この発明の実施の形態１による面型光−光スイッチの半導体周期構造薄膜の透過スペクトル図の一例である。第１および第２の半導体層の膜厚を、それぞれ、１１０ｎｍおよび１２５ｎｍへ調整することで、制御光と信号光の波長を、それぞれ、半導体周期構造のブラッグ反射条件の長波長側の透過第１バンド２２、長波長側透過第２バンド２３、短波長側透過第1バンド２４、および、短波長側透過第２バンド２５のうちの異なるいずれかの波長に合致させる。すなわち、ブラッグ反射条件の透過バンド２２〜２５のいずれかに制御光（あるいは信号光）の波長を設定し、他のいずれかの異なる波長の透過バンド２２〜２５に信号光（あるいは制御光）の波長を設定する。例えば、制御光の波長を長波長側透過第１バンド２２に設定し、信号光の波長を短波長側透過第２バンド２５に設定するというように、互いに異波長になるように設定する。
【００１９】
また、制御光と信号光とを異波長とすることで、信号分離フィルタ４において波長分離により信号分離を行い、同一光軸とすることで、大きな開口数の集光系を用いて集光密度を向上させることができる。その結果、低エネルギーで光−光スイッチング動作を行うことができる。
【００２０】
制御光と信号光の開口数を大きくして、それぞれの集光径を小さくすることが、励起密度を向上させるのに有効であるため、本実施の形態の面型光−光スイッチの場合、その動作原理から導かれるブラッグ反射条件の異なる透過バンド波長にそれぞれ制御光と信号光の波長を合致させ、制御光と信号光を波長分離することで、同一光軸上に配置させることが可能となる。また、単一の光軸とすることで、集光系の開口数を大きくすることが可能となり、励起密度を向上させることができる。一方、ブラッグ反射条件の近傍透過バンドは、数ｎｍのバンド幅を有し、実効的な励起密度を上げるためには、このバンド幅制限に光パルスの光学的特性を合致させることが、有効集光密度の向上に必要である。
【００２１】
以上のように、本実施の形態においては、屈折率の異なる複数の半導体層が交互に積層された周期構造を有し、複数種類の半導体層のうち小さいバンド間遷移エネルギーを有する半導体層のバンド間遷移波長の２倍と上記複数種類の半導体層の屈折率で決まるブラッグ反射条件（λ／ｎｉ、ただしλは上記バンド間遷移波長、ｎｉ（ｉ＝１，２）は２種類の半導体層の屈折率）を満たす層厚を有し、制御光あるいは信号光のうちのいずれか一方の波長を上記ブラッグ反射条件の透過バンドに設定し、制御光あるいは信号光のうちの他方の波長を異なる波長の透過バンドに設定し、制御光のオン／オフによって信号光のオン／オフを制御する面型光−光スイッチで、信号光と制御光を同一光軸にしたので、この構成により、信号光と制御光を空間的に重ねて配置することが可能となり、集光径を小さくでき、励起密度および集光密度を向上させて、面型光−光スイッチの動作エネルギーの低減を図り、高繰り返しかつ低パワーで動作し、高速・大容量通信が可能で、雑音の少ない信号成分を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による面型光−光スイッチの半導体周期構造薄膜の透過スペクトル図である。本実施の形態における面型光−光スイッチの構成は基本的に図１に示したものと同一である。すなわち、バンド間遷移エネルギーが入射光子エネルギーの２倍より大きい半導体層が交互に積層された半導体周期構造薄膜１と、ファイバ伝送光を集光する集光光学系２と、２つの入射光を同一光軸上にあわせる合波光学系３と、信号分離のための偏光光学素子と波長分離素子から構成される信号分離フィルタ４とを備えている。ここで、本実施の形態においては、制御光と信号光の波長が、半導体周期構造のブラッグ反射条件の長波長側の透過第1バンド２２および第２バンド２３にそれぞれ合致するように半導体周期構造を設定する。あるいは、制御光と信号光の波長を前述の逆に設定する。すなわち、制御光と信号光の波長が、半導体周期構造のブラッグ反射条件の長波長側の透過第２バンド２３および第１バンド２２にそれぞれ合致するように半導体周期構造を設定する。
【００２３】
図４は、半導体材料にＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓを選んだ場合の透過スペクトルの一例であり、これらの材料は長波長側の透過第１バンド２２の２倍以上大きいバンド間遷移エネルギーを有する。また、各々の周期構造の膜厚を１１０ｎｍ、１２５ｎｍへ調整することで、光通信波長帯で動作する図４のブラッグ反射帯２１と透過バンド２２，２３を有する図４のスペクトルが得られる。本構成により、低エネルギーで光−光スイッチング動作を行うとともに、２光子吸収を防止することで、実励起に伴うパルス間隔以上の長い応答成分による波形劣化を抑制することができる。
【００２４】
なお、ここで、２光子吸収が防止できることについて説明する。ブラッグ反射の透過バンドは、多層膜の（材料・）膜厚・周期で決定され、２光子吸収波長は、材料のバンドギャップで決定される。上述の実施の形態１においては、バンドギャップの半分（＝２光子吸収波長）をブラッグ波長とする例について説明したが、ブラッグ波長の両側に透過バンドが形成されるので、波長軸でこの大小関係を表すと、・・・＜  短波長側透過第２バンド２５（図３参照）  ＜  短波長側透過第１バンド２４（図３参照）  ＜  ブラッグ波長  ＜  長波長側透過第１バンド２２  ＜  長波長側透過第２バンド２３  ＜・・・となる。上述の実施の形態１では、これらの透過バンドから２つを選んで、信号光および制御光の波長としたが、本実施の形態２では、使用する透過バンドを長波長側に限定しているため、つまり、２光子吸収による実励起が起こらないことになる。
【００２５】
以上のように、本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、制御光および信号光について、ブラッグ反射条件の長波長側透過第１バンド２２に制御光あるいは信号光のいずれかの波長を設定し、さらに、長波長側透過第２バンド２３に制御光あるいは信号光のもう片方の波長を設定したので、この構成により、２光子吸収を防止することが可能となり、実励起を伴わないことにより連続した信号入力による波形劣化（所謂、パルスパターン効果）を抑制する効果がある。
【００２６】
実施の形態３．
本実施の形態における面型光−光スイッチの構成は基本的に図１に示したものと同一である。すなわち、バンド間遷移エネルギ−が入射光子エネルギーの２倍より大きい半導体層が交互に積層された半導体周期構造薄膜１と、ファイバ伝送光を集光する集光光学系２と、２つの入射光を同一光軸上にあわせる合波光学系３と、信号分離のための偏光光学素子と波長分離素子から構成される信号分離フィルタ４とを備えている。ここで、本実施の形態においては、その入射光学系の開口数を０．３９程度とする。ブラッグ反射条件の近傍透過バンドは、数ｎｍのバンド幅を有し、実効的な励起密度を上げるためには、このバンド幅制限に光パルスの光学的特性を合致させることが、有効集光密度の向上に必要である。
【００２７】
図５はこの発明の実施の形態３における開口数と集光径および光−光スイッチ動作に寄与する有効エネルギーの割合を示した図である。低エネルギー動作のためには、集光密度を向上させる必要があるが、そのためには、集光径を小さくすること、つまり、集光光学系の開口数を上げることが有効である。しかし同時に、開口数の増大に伴い発散全角が大きくなり、多重反射の共鳴条件からずれていき、有効な光成分の割合が低下する。さらには、焦点深度が小さくなるために、焦点位置からの僅かの位置ずれが大きな集光密度の低下をもたらす。つまり、半導体多層構造の多重反射による内部電場の増強効果を利用した光−光スイッチにおいては、入射光はその多重反射条件から大きく外れないことが重要となる。
【００２８】
図５では、透過バンド幅を４ｎｍとし、取り付け精度を焦点深度と同等の±３μｍとした場合の有効エネルギーの割合をプロットしてある。開口数が０．２５を超えると、有効エネルギーの低下が認められる。図６は、図５の結果から導いた有効集光密度を相対比較する図である。開口数が大きい程、集光密度が向上するという一般的な傾向とは異なり、特定の開口数で有効集光密度が極大値を示す。図５と同じ条件では、図６に示すように、開口数が約０．３９の場合に極大値を示している。
【００２９】
このように、半導体周期構造への入射光学系の開口数を０．２〜０．４５と設定することが望ましく、さらに望ましくは、０．３〜０．４と設定する。
【００３０】
なお、従来の光−光面型スイッチでは開口数が０．１程度であるため、図６で、開口数０．１と開口数０．３９の値とを比較すると、約１０倍以上の有効集光密度の差があることがわかる。本実施の形態の光−光面型スイッチは、信号光と制御光の光密度に比例するので、両者が相まって１００倍以上のスイッチング効率を達成することができる。
【００３１】
以上のように、本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、制御光および信号光について、半導体周期構造への入射光学系の開口数を０．２〜０．４５と設定し、さらに望ましくは、０．３〜０．４と設定したので、この構成により、励起密度を向上させ、さらに、光スイッチ動作に寄与する有効エネルギーを最適化する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態１による面型光−光スイッチの構成を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による面型光−光スイッチにおける半導体周期構造薄膜の構成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による面型光−光スイッチにおける半導体周期構造薄膜の透過スペクトル図である。
【図４】この発明の実施の形態２による面型光−光スイッチにおける半導体周期構造薄膜の透過スペクトル図である。
【図５】この発明の実施の形態３における開口数と集光径および面型光−光スイッチ動作に寄与する有効エネルギーの割合を示した説明図である。
【図６】この発明の実施の形態３における有効集光密度を相対比較する説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  半導体周期構造薄膜、２  集光光学系、３  合波光学系、４  信号分離フィルタ、５  制御光入射ファイバ系、６  信号光入射ファイバ系、７  出力光出射ファイバ系、２１  ブラッグ反射帯、２２  長波長側透過第１バンド、２３  長波長側透過第２バンド、２４  短波長側透過第１バンド、２５  短波長側透過第２バンド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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